全液壓坑道鉆機定向制動裝置的設計及試驗研究

安建國

（華陽集團機電設備管理中心， 山西 陽泉 045000）

引言

就瓦斯抽采而言，隨著煤礦開采深度的增加，對鉆孔軌跡的定位精度要求越來越高，即對鉆孔馬達定位鉆井技術及其相關配套技術提出更高的要求[1]。對于定向鉆機的制動裝置而言，主要以斜面增力式定向制動裝置和摩擦盤式定向制動裝置為主，本文重點對其中的斜面增力式定向制動裝置進行設計，并對其進行試驗研究。

1 斜面增力式定向制動裝置的結構設計

斜面增力式定向制動裝置為全液壓坑道鉆機定向制動裝置的類型之一，是定向鉆井技術涉及到的重要裝置。在實際鉆井過程中，該制動裝置的主要任務是將全液壓坑道鉆機的主傳動系統制動抱死，實現對孔底螺桿馬達彎頭方向控制的目的。

1.1 全液壓坑道鉆機概述

目前應用于瓦斯抽采的定向鉆進技術主要分為兩種。一種為基于穩定組合鉆為基礎的鉆進技術，該技術雖然成本低、操作方便，但是定位精度不高且鉆進效率較低；另一種為基于帶彎頭的孔底馬達定向鉆進技術，該技術實現的核心為采用定向制動裝置產生的反扭矩與鉆進設備螺桿馬達產生的扭矩相抵消，實現定向鉆進的任務[2]。一般的全液壓坑道鉆機的組成結構如圖1 所示。

圖1 全液壓坑道鉆機結構示意圖

基于定向制動裝置的全液壓坑道鉆機具有導向好、具備無級調速功能、自動化水平高、可實現長距離的連續且多功能鉆進任務。

1.2 斜面增力式定向制動裝置關鍵參數的確定

目前，應用于綜采工作面全液壓坑道鉆機的斜面增力式定向制動裝置的結構為采用油壓夾緊彈簧為主，該種結構的制動原理是通過一定壓力液壓油提供對卡瓦的夾緊動力，并通過其中的中間機構對夾緊力的方向和大小進行控制。對于斜面增力式定向制動裝置而言，其制動性能和定位精度主要依靠準確確定卡瓦圈斜面的傾角這一參數[3]。

卡瓦斜面角的確定：從理論上講卡瓦圈斜面的傾角考慮到彈簧力以及活塞的位移量、卡盤軸向尺寸的局限性，一般取卡瓦斜面角為6°～9°。綜合考慮卡瓦斜角、增力比以及摩擦系數之間的關系，最終確定卡瓦斜面角為6°。

一般瓦斯抽采所采用的定向鉆進孔底馬達的尺寸為73 mm，對應的施加于制動軸上的傳遞轉矩為700 N·m，為了保證定向鉆進的要求需要斜面增力式定向制動裝置提供700 N·m 的反力矩，從而達到對全液壓坑道鉆機主軸的制動。結合上述功能需求，定向制動裝置的核心卡瓦選用20CRMnTiA 材料制備。斜面增力式定向制動裝置的三維結構如下頁圖2 所示。

圖2 斜面增力式定向制動裝置三維結構示意圖

2 斜面增力式定向制動裝置仿真分析

斜面增力式定向制動裝置各零部件的相互配合程度及其運行的靈活性直接決定鉆孔的控制精度和全液壓坑道鉆機的鉆孔精度。為此，本小節基于ABAQUS 軟件對斜面增力式定向制動裝置的工作狀態和運動行為進行仿真分析。

2.1 斜面增力式定向制動裝置仿真模型的搭建

斜面增力式定向制動仿真模型首先在NX 軟件中根據圖2 建立三維模型，并將所建立的三維模型導入ABAQUS 軟件中形成斜面增力式定向制動的仿真模型。分別對定向制動裝置關鍵的卡瓦和制動軸進行網格劃分操作。其中，卡瓦劃分的網格數量為21 804 個，制動軸劃分的網格數量為25 155 個，并根據實際工作情況設定斜面增力式制動裝置的相互約束關系和邊界條件和載荷。定義卡瓦所施加的壓力為11 200 N，卡瓦與制動之間的摩擦系數為0.1[4]。

2.2 斜面增力式定向制動裝置仿真結果分析

基于2.1 中所建立的斜面增力式定向制動裝置的仿真模型重點對卡瓦與制動軸的剛度、強度以及制動扭矩進行仿真分析，仿真結果如下：

1）在正常的滑動制動過程中，卡瓦的變形量為0.06 mm；對應的制動軸的徑向滑動的位移為5.98 mm。上述兩項參數均滿足相應的剛度要求。

2）在正常滑動制動過程中，卡瓦與制動之間出現的最大應力位于卡瓦的尖角位置，對應的最大應力值為162.6 MPa，該值小于20CRMnTiA 材料的許用應力，滿足強度設計要求。

3）為確定卡瓦的具體結構形式，對光面、橫面切槽和橫豎向溝槽三種結構形式的摩擦力矩進行對比分析，三種結果對應的動摩擦力矩如表1 所示。

如表1 所示，三種結構對應的動摩擦力矩均大于700 N·m，滿足實際制動需求。但是，考慮到卡瓦制動的安全系數，并且保證其在小幅度超載的情況下均可正常工作。因此，綜合考慮裝置的使用壽命，卡瓦選用橫豎向溝槽的結構形式。

表1 不同卡瓦結構形式對應的動摩擦矩仿真結果

3 斜面增力式定向制動裝置的試驗研究

為驗證斜面增力式定向制動裝置的實際應用效果，分別對其進行室內和工業試驗對比。

3.1 斜面增力式定向制動裝置的室內試驗研究

室內試驗方法：將斜面增力式定向制動裝置安裝于全液壓坑道鉆機的動力頭上，所選用的全液壓坑道鉆機的型號為ZDY4000LD（1 號），并對鉆機主軸提供一定的制動力；同時，采用型號為ZDY4000L全液壓坑道鉆機（2 號）向1 號鉆機鉆頭提供反方向的轉矩（在試驗中扭矩值按照50 N·m 逐級增加），該轉矩模擬實際鉆進時螺桿鉆所產生的反扭矩。

經試驗研究可知，當2 號鉆機所提供的反扭矩增大值800 N·m 時，斜面增力式定向制動裝置可正產工作，且對應的制動效果良好。同時，發現制動軸的硬度大于卡瓦[5]。

3.2 斜面增力式定向制動裝置的工業性試驗研究

斜面增力式定向制動裝置所應用的工作面的巖層的抗壓強度為44 kg/cm2，彈性模量為1.62，巖層的抗拉強度為24.3 kg/cm2，所應用的鉆機的具體型號為ZDY6000LD，相關匹配的泥漿泵的型號為BW-320，螺桿鉆具的外徑為73 mm。斜面增力式定向制動裝置的實測軌跡如圖3 所示。

圖3 斜面增力式定向制動裝置鉆機的實測軌跡

通過現場工業性試驗表明，斜面增力式定向制動裝置具有良好的制動效果，且在制動過程中各項指標及參數相對穩定，能夠保證對鉆向角度進行精準控制，順利保證定向鉆孔任務的實施。同時，可根據實際鉆進任務通過回轉控制方式對調角進行精確控制。

4 結語

瓦斯是威脅煤礦安全生產的重要因素，瓦斯抽采為降低工作面瓦斯濃度的重要手段，全液壓坑道鉆機為實現瓦斯抽采任務的主要設備。為保證全液壓坑道鉆機能夠順利完成定向鉆進任務，對其定向制動裝置的要求甚高。在此基礎上，本文對全液壓坑道鉆機中的關鍵定向制動裝置進行有限元分析和試驗，從理論和實踐兩個層面驗證斜面增力式定向制動裝置的性能。